Caracterização térmica do bagaço de cana-de-açucar visando aproveitamento energético

(1)

INSTITUTO DE QUÍMICA DE ARARAQUARA

Programa de Pós-Graduação em Química

Caracterização Térmica do Bagaço da Cana-de-Açúcar

Visando Aproveitamento Energético

VÍVIAN APARECIDA RICARDO TEIXEIRA ERNESTO

(2)

Caracterização Térmica do Bagaço da Cana-de-Açúcar Visando

Aproveitamento Energético

ORIENTADOR: Prof. Dr. Clóvis Augusto Ribeiro

CO - ORIENTADOR: Prof. Dr. Fernando Luis Fertonani

Araraquara

(3)

Vívian Aparecida Ricardo Teixeira Ernesto

1. DADOS PESSOAIS

1.1 Nascimento: 02 de Julho de 1983

1.2 Nacionalidade: Brasileira

1.3 Naturalidade: Araraquara - SP

1.4 Estado civil: solteira

1.5 Filiação: Pai: Adenilson José Ernesto

Mãe: Renata Aparecida Ricardo Teixeira

1.6 Profissão: Licenciada em Química

1.7 Endereço Residencial: Rua Américo Brasiliense, 174 - Centro

1.8 Endereço Profissional: Rua Prof. Degni, s/n. Instituto de Química Unesp –

Araraquara, SP - Departamento de Química Analítica.

1.9 e-mail: vivian_ernesto@yahoo.com.br

2. FORMAÇÃO ACADÊMICA

2.1 Licenciatura Plena em Química

Curso de Licenciatura Plena em Química, concluído em 09/12/2006, na Universidade Estadual

(4)

“Comparação metodológica entre mufla convencional e automática para análise de umidade e cinzas em bagaço de cana”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; RIBEIRO, C. A.; FERTONANI, F. L., HOJO, O.; FISCARELLI, P.

Revista ALCOOLbrás – Editora Valete, Ano X, nº 117, p. 60-65, 2008.

“Investigação da Interface Metal-Porcelana da Liga Ni-Cr-Mo Soldada a LASER”. Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; GUASTALDI, A. C.

Revista Soldagem & Inspeção – São Paulo, v. 13, nº 2, p. 111-117, abr./jun. 2008.

TRABALHOS E PARTICIPAÇÕES EM EVENTOS

“Análise dos resíduos de cana-de-açúcar gerados durante a queima do bagaço”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; CRESPI, M. S.; RIBEIRO, C. A.; FERTONANI, F. L., HOJO, O.

Evento: XXXI CONGRESO INTERAMERICANO AIDIS (Painel)

Data e Local: 12 – 15 de Outubro de 2008 – Centro de Eventos Casa Piedra, Santiago – Chile.

“Thermal characterization lignocellulosic residue from varieties of sugarcane for energy resources”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; RIBEIRO, C. A.; FERTONANI, F. L., HOJO, O.

Evento: 14th ICTAC – International Congress on Thermal Analysis and Calorimetry and VI CBRATEC – Brazilian Congress on Thermal analysis and Calorimetry (Painel).

(5)

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; RIBEIRO, C. A.; FERTONANI, F. L., HOJO, O.; FISCARELLI, P.

Evento: ENQUALAB-2008 – Congresso da Qualidade em Metrologia: Rede Metrológica do Estado de São Paulo – REMESP (Painel).

Data e Local: 09 – 12 de Junho de 2008 – Centro de Eventos Anhembi, São Paulo – S.P.

“Estudo eletroquímico e metalográfico da liga Ni-Cr-Mo submetida à soldagem laser para aplicação odontológica”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; GUASTALDI, A. C.

Evento: IV Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais e Biomateriais (Painel). Data e Local: 08 – 11 de Agosto de 2006 – Hotel Glória, Caxambu – Minas Gerais.

“Investigação da interface metal-porcelana da liga Ni-Cr-Mo soldada a LASER”. Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; GUASTALDI, A. C.

Evento: XXXII CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem (Apresentação Oral). Data e Local: 02 – 05 de Outubro de 2006 – Belo Horizonte – Minas Gerais.

“Efeito da soldagem laser na microdureza e comportamento eletroquímico de uma liga de Ni-Cr-Mo aplicada em próteses sobre implante”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; GUASTALDI, A. C.

Evento: XXXI CONSOLDA – Congresso Nacional de Soldagem (Apresentação Oral). Data e Local: 29 de Novembro de 2005 – São Paulo – S.P.

“Investigação da interface metalocerâmica da junta soldada por laser utilizando-se uma liga de Ni-Cr-Mo aplicada em próteses sobre implante”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; GUASTALDI, A. C.; CELIBERTO, F. S.; FRANCHI, S. J. S.

(6)

superfície da liga Ti-6Al-7Nb em meio de fosfato para aplicação como biomaterial”.

Autores: CELIBERTO, F. S.; ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; PELÁEZ-ABELLÁN, E.; GUASTALDI, A. C.; FRANCHI, S. J. S.

Evento: XVII Congresso de Iniciação Científica da UNESP – CIC (Painel).

Data e Local: 08 – 09 de Novembro de 2005 – UNESP - Campus de Araraquara – S.P.

“Estudo microestrutural e eletroquímico da liga odontológica Ni-Cr-Mo soldada por LASER”. Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; GUASTALDI, A. C.

Evento: 28ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química - (SBQ) (Painel). Data e Local: 02 de Junho de 2005 – Poços de Caldas – Minas Gerais.

“Caracterização microestrutual de uma liga de Ni-Cr soldada por TIG”. Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; GUASTALDI, A. C.

Evento: XVI Congresso de Iniciação Científica da UNESP – CIC (Painel).

Data e Local: 04 – 10 de Dezembro de 2004 – Campus da UNESP de Ilha Solteira – São Paulo.

“Análise microestrutural do cordão de solda da junta soldada por laser utilizando-se uma liga de Ni-Cr”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; BEATRICE, C. R. S.; GUASTALDI, A. C. Evento: XVI Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais – Cbecimat (Painel). Data e Local: 28 de Novembro – 02 de Dezembro de 2004 – Porto Alegre – Rio Grande do Sul.

“Caracterização microestrutural de uma liga de ni-cr utilizada na odontologia fundida por plasma skull empregando-se soldagem por laser”.

Autores: ERNESTO, V. A. R. T.; SOUSA, L. R.; BEATRICE, C. R. S.; GUASTALDI, A. C.; FOOK, M. V. L.

Evento: XV Congresso de Iniciação Científica da UNESP – CIC (Painel).

(7)

(8)

Dedico este trabalho aos meus queridos e amados avós: Mirtes Piló Ricardo

Teixeira e Álvaro Ricardo Teixeira (in memorian).

Muito obrigada pelo carinho, paciência, incentivo e amor durante todos esses

(9)

A DEUS por iluminar a minha vida, colocando em meu caminho pessoas

especiais, e por sempre me estender as mãos em todos os momentos de

dificuldades, dando-me força e coragem para seguir.

Aos meus avós Mirtes e Álvaro (

in memorian)

que me conduziram durante

todos esses anos com muito amor, carinho, paciência, apoio e ensinamentos,

mostrando-me a importância da vida. À minha família por todos os momentos de

felicidade e união, em especial ao meu tio Álvaro Jr. que me acompanha desde

criança.

Ao meu noivo, Everton Gustavo, que sempre esteve ao meu lado (desde o

colégio, cursinho, faculdade... até hoje), pela força, carinho, incentivo, paciência,

companheirismo, respeito e principalmente por todo amor dedicado durante esses

anos de convivência.

Aos meus professores (a), Drs. Clóvis A. Ribeiro, Fernando L. Fertonani,

Ossamu Hojo e Dra. Marisa S. Crespi, pelas valiosas idéias, atenção, apoio,

confiança e ensinamentos.

(10)

sempre me receber de portas abertas e pelas amizades conquistadas, e também à

Usina Santa Cruz, pelo fornecimento de amostras.

Ao Professor Dr. Antonio Carlos Guastaldi, pelos ensinamentos durante os

cinco anos de Iniciação Científica, pelo apoio, confiança e amizade dedicados.

Á todos os meus colegas de Graduação pela amizade e horas estudando para

provas de Cálculo, Física, Química Orgânica, Química Inorgânica... e, aos colegas

de laboratório pelo indispensável apoio.

(11)

como fonte de energia, respondendo pelas necessidades energéticas da própria usina. A

caracterização da biomassa deve fornecer informações sobre as propriedades determinantes,

particulares a cada aplicação.

Neste estudo, foi determinado o comportamento térmico do bagaço da cana-de-açúcar,

com e sem sacarose, empregando diferentes variedades de cana (SP 81-3250, RB 815113, RB

855156 e RB 867515), e realizada a extração de lignina e celulose. Foram realizados ensaios

empregando mufla convencional e automática, para a análise de umidade e cinzas, a fim de

quantificar os teores dessas e avaliar a precisão e exatidão entre os dois métodos, a considerar a

importância da validação metodológica.

A caracterização e avaliação do bagaço, lignina, celulose e hemicelulose das diversas

variedades de cana foram realizadas por meio de técnicas de análise térmica (TG-DTG), análise

térmica diferencial (DTA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e espectrometria de

absorção na região do infravermelho (IV).

As curvas DSC, tais como os espectros de absorção de IV para as ligninas extraídas dos

bagaços são como uma impressão digital das ligninas presentes em cada variedade de

cana-de-açúcar. As curvas DSC para o bagaço com e sem sacarose em atmosfera oxidante sugerem que as

variedades RB 855156 e RB 867515 são aquelas que apresentam alta capacidade de geração de

energia calorífica. As ligninas presentes nos bagaços são as responsáveis pelo maior potencial

(12)

With the technological progresses of the sugarcane agroindustry in Brazil, the bagasse

started to be more valued as source of energy, responsible for the one needs of the own plant. The

characterization of the biomass should supply information on the decisive properties, matters to

each application.

In this study, it was certain the thermal behavior of the sugarcane bagasse, with and

without sucrose, using different cane varieties (SP 81-3250, RB 815113, RB 855156 and RB

867515), and accomplished the lignin extraction and cellulose coming of each variety. They were

also accomplished, analysis using conventional muffle and automatic, for the humidity analysis

and ashes, in order to quantify the amount of those and to evaluate the precision and accuracy

between the two methods, to consider the importance of the methodological validation.

The characterization and evaluation of the bagasse, lignin, cellulose and hemicellulose of

the several cane varieties were accomplished through techniques of thermogravimetric analysis

(TG-DTG), differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC) and

infrared analysis (IV).

The DSC curves like IR ones of lignin shown a finger print of the extracted lignin from

each sugarcane variety. DSC curves from bagasse with and without sucrose under oxidative

atmosphere allow suggesting that the varieties RB 855156 and RB 867515 are those present hight

capacity to generation of calorific energy. The existent lignins in the bagasse are the responsible

for the largest energy potential generated during it burns in the boilers of the plants.

(13)

Figura 1. (a) constituição morfológica da cana-de-açúcar; (b) localização do 26 parênquima no colmo; (c) cana-de-açúcar.

Figura 2.Composição estrutural da biomassa. 35

Figura 3. Principais tipos de ligações entre unidades fenilpropanóides presentes 36 na molécula de lignina.

Figura 4. Principais unidades aromáticas presentes na molécula de lignina. 36

Figura 5. Seção do polímero lignina. 37

Figura 6. Componentes extraídos das ligninas. 39

Figura 7. Estruturas da celulose e hemicelulose. 40

Figura 8. Representação esquemática da parede celular secundária lignificada 41

Figura 9. Oferta interna de energia correspondente ao ano de 2007. 46

Figura 10. Sonda horizontal utilizada para amostragem de cana-de-açúcar e 50 fotografias do canhão amostrador tiradas na Usina Santa Cruz.

Figura 11. Conjunto desintegrador – homogeneizador. 50

(14)

Fornecedores de Cana de Araraquara, utilizada para a prensagem das amostras de bagaço.

Figura 14. Determinação de umidade e cinzas dos bagaços úmidos e 59 com sacarose (n = 5).

Figura 15. Distribuição percentual média do teor de cinzas em bagaço de 61 cana-de-açúcar a 900ºC em relação à massa úmida e seca.

Figura 16. Gráfico comparativo da distribuição percentual média do teor 65 de cinzas em bagaço de cana-de-açúcar obtido em mufla convencional e no prepASH.

Figura 17. Curvas TG/DTG do bagaço com sacarose da variedade SP 81-3250 71 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 18. Curvas TG/DTG do bagaço com sacaroseda variedadeRB 855113 71 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 21. Curvas DTA dos bagaços com sacarosede todas as variedades 73 a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

(15)

Figura 24. Curvas TG/DTG do bagaço sem sacaroseda variedade RB 855156 75 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 25. Curvas TG/DTG do bagaço sem sacaroseda variedade RB 867515 75 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 26. Curvas DTA dos bagaços sem sacarosede todas as variedades 76 a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 27. Curvas TG/DTG da lignina extraídada variedadeSP 81-3250 77 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 28. Curvas TG/DTG da lignina extraídada variedadeRB 855113 78 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 31. Curvas DTAdas ligninas extraídasde todas as variedades 80 a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 32. Curvas TG/DTG da celulose e hemicelulose extraídas 81 da variedadeSP 81-3250 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica

(16)

da variedadeRB 855113 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (100 mL/min).

Figura 34. Curvas TG/DTG da celulose e hemicelulose extraídas 82 da variedadeRB 855156 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de

ar (100 mL/min).

Figura 35. Curvas TG/DTG da celulose e hemicelulose extraídas 82 da variedadeRB 867515 obtidas a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de

ar (100 mL/min).

Figura 36. Curvas DTAdas celuloses e hemiceluloses extraídas 83 de todas as variedades a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de

ar (100 mL/min).

Figura 37. Curvas DSC obtidas para os bagaços com sacarose; m = 2,00 mg, 85 vazão do gás N2= 50 mL min-1, β= 20ºC/min, cadinho de alumina tampado

e perfurado (φ=1 mm).

Figura 38. Curvas DSC dos bagaços com sacarosede todas as variedades 86 a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (50 mL/min), cadinho de alumina

tampado e perfurado (φ=1 mm).

Figura 39. Curvas DSC dos bagaços sem sacarosede todas as variedades 88 a 20 ºC/min e atmosfera dinâmica de ar (50 mL/min), cadinho de alumina

tampado e perfurado (φ=1 mm).

(17)

cadinho de alumina tampado e perfurado (φ=1 mm).

Figura 42. Espectros de absorção na região do infravermelho das amostras 94 de bagaço com sacarose de diferentes variedades de cana-de-açúcar.

Figura 43. Espectros de absorção na região do infravermelho das amostras 95 de bagaço sem sacarose de diferentes variedades de cana-de-açúcar.

Figura 44. Espectros de absorção na região do infravermelho das amostras 97 de lignina extraída do bagaço de diferentes variedades

de cana-de-açúcar.

Figura 45. Espectros de absorção na região do infravermelho das amostras 99 de celulose e hemicelulose extraídas do bagaço de diferentes variedades

(18)

Tabela 1.Composição Química da cana-de-açúcar 27

Tabela 2. Características físico-químicas da variedade de cana-de-açúcar 29 SP 81-3250

Tabela 3. Características físico-químicas da variedade de cana-de-açúcar 30 RB 855113

Tabela 6. Variedades e características das amostras de cana-de-açúcar 49 coletadas na usina

Tabela 7.Tabela de ANOVA 53

Tabela 8. Resultados de umidade e de cinzas obtidas a partir da análise 60 termogravimétrica para as diferentes variedades de cana-de-açúcar,

tratadas em conformidade com a norma ASTM - E 1756*

Tabela 9. Parâmetros estatísticos (média = X ) e (desvio padrão = s) para 60 umidade e cinzas calculados a partir dos dados da Tabela 8

(19)

Tabela 12. Resultados umidade e cinzas obtidas em mufla convencional 64 para o bagaço com sacarose, tratadas em conformidade com as normas

ASTM - E 1756* e ASTM - E 1755**

Tabela 14. Resultados de ANOVA dos ensaios para teor de umidade em mufla 66 para todas as variedades de cana com sacarose

Tabela 15. Resultados de ANOVA dos ensaios para teor de cinzas em mufla 66 para todas as variedades de cana com sacarose

Tabela 16. Resultados umidade e cinzas obtidas em mufla convencional para 67 o bagaço sem sacarose, tratadas em conformidade com as normas

ASTM - E 1756* e ASTM - E 1755**

Tabela 18. Resultados de ANOVA dos ensaios para teor de umidade em mufla 69 para todas as variedades de cana sem sacarose

(20)

bagaços sem sacarose

Tabela 22. Intervalos de temperaturas e energia de oxidação obtida para 90 a lignina extraídas do bagaço de cana-de-açúcar

Tabela 23. Intervalos de temperaturas e energia de oxidação obtida para 92 a celulose e hemicelulose extraídas do bagaço de cana-de-açúcar

Tabela 24. Quantidades de lignina, celulose e hemicelulose extraídas do bagaço 100 das variedades de cana-de-açúcar estudadas

Tabela 25. Potencial energético aproximado das frações de lignina, celulose e 101 hemiceluloses extraídas do bagaço de cada variedade de cana-de-açúcar estudadas

antes e depois da conversão energética

(21)

ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica BEN: Balanço Energético Nacional

MME: Ministério de Minas e Energia

IIE: Instituto Internacional de Economia OIE: Oferta Interna de Energia

Embrapa: Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária Inmet: Instituto Nacional de Meteorologia

MEB: Matriz Energética Brasileira G: guaiacílica

G-S: guaiacil-siringílica

H-G-S: 4-hidroxifenil-guaicil-siringila H-G: 4-hidroxifenil-guaiacílica I.V.: Infravermelho

TG: Termogravimetria

DTA: Análise Térmica Diferencial

DSC: Calorimetria Exploratória Diferencial RMN: Ressonância Magnética Nuclear

ASTM: American Society for Testing and Materials GW: gigawatt

(22)

J/g Joule por grama

tep: toneladas equivalentes de petróleo bar: barômetro

X

: média amostral s: desvio padrão amostral

ΔHox: Intervalo de Entalpia de oxidação Tp/°C: Temperatura de pico em graus Celsius ǻT/ºC: Intervalo de Temperatura em graus Celsius ANOVA: Análise de Variância

(23)

1. INTRODUÇÃO 25

1.1 A cana-de-açúcar 26

1.1.1 Características das Variedades de Cana-de-açúcar 28

1.2 Biomassa Energética 33

1.3 Ligninas 36

1.4 Celulose e Hemicelulose 40

1.5 Co-geração de Energia 41

2. OBJETIVOS 48

3. MATERIAIS E MÉTODOS 49

3.1 Variedades de cana-de-açúcar 49

3.2 Amostragem 49

3.3 Determinação Termogravimétrica de Umidade e Cinzas 51

Empregando Analisador Térmico PrepASH® 129

3.4 Determinação de Umidade e Cinzas empregando Mufla Convencional 52

3.5 Análise de Variância (ANOVA) 53

3.6 Determinação de Ligninas 54

3.6.1 Extração Aquosa e Lipídica 54

3.6.2 Extração de Lignina e Celulose 55

3.7 Análise Termogravimétrica (TG/DTG) / Análise Térmica Diferencial (DTA) 56

(24)

4.1 Determinação de Umidade e Cinzas em Bagaços de Cana-de-açúcar 58

4.1.1 Determinação Termogravimétrica empregando Analisador 58

Térmico PrepASH® 129

4.1.2 Determinação de Umidade e Cinzas empregando Mufla Convencional 63

4.1.2.1 Bagaço de cana-de-açúcar com sacarose 63

4.1.2.2 Bagaço de cana-de-açúcar sem sacarose 66

4.2 Análise Termogravimétrica (TG/DTG) e Análise Térmica 69

Diferencial (DTA)

4.2.1 Bagaço de cana com e sem sacarose 69

4.2.2 Lignina extraída de bagaço de cana-de-açúcar 76

4.2.3 Celulose e hemicelulose extraídas de bagaço de cana-de-açúcar 80

4.3 Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) 84

4.3.1 Bagaço de cana com e sem sacarose 84

4.3.2 Lignina extraída dos bagaços de cana-de-açúcar 89

4.3.3 Celulose e hemicelulose extraídas dos bagaços de cana-de-açúcar 91

4.4 Espectros de Infravermelho (IV) 93

4.4.1 Espectros de Infravermelho do bagaço de cana com e sem sacarose 93

4.4.2 Espectros de Infravermelho da lignina extraída do bagaço de cana-de-açúcar 95

4.4.3 Espectros de Infravermelho da celulose e hemicelulose extraídas do bagaço 98

de cana-de-açúcar

(25)

1. INTRODUÇÃO

O aumento da cultura da cana-de-açúcar é algo notório e contínuo, ao longo de toda a

história, sendo que o Brasil é atualmente o principal produtor de cana-de-açúcar do mundo. A

cana-de-açúcar é utilizada na produção de açúcar, álcool combustível, biodiesel e na co-geração

de energia a partir do bagaço.

O bagaço de cana tem sido usado como combustível nas usinas sucroalcooleiras, pelo

menos desde o início deste século, quando passou a substituir a lenha nas caldeiras. A maioria

das usinas vende o bagaço excedente a um preço variável entre R$ 4,00 e 14,00 por tonelada,

dependendo da localização da usina em relação aos potenciais compradores. O mercado, de um

modo geral, paga pela tonelada do bagaço in natura o mesmo preço por tonelada de cana. Isso

equivale a agregar ao bagaço um valor comercial inicial proporcional a ¼ do custo da matéria

prima (PELLEGRINI, 2002).

A posição geográfica das usinas e o período de safra são pontos positivos que reforçam a

viabilidade dos investimentos em co-geração de energia elétrica. As usinas de cana estão

localizadas na área de maior consumo de cana-de-açúcar do país e o período de colheita coincide

com a seca, poupando os reservatórios das hidrelétricas (PELLEGRINI, 2002).

Uma das características fundamentais do bagaço de cana-de-açúcar é o seu poder

calorífico, o qual é função do grau de umidade (50%) e do teor de açúcar residual. Como o teor

de açúcar é normalmente baixo, tem-se a umidade como principal fator limitante do poder

calorífico. No Estado de São Paulo e, em menor escala, no restante do país, praticamente todas as

indústrias do setor sucroalcooleiro são auto-suficientes em energia elétrica em virtude da grande

(26)

1.1 A Cana-de-açúcar

A cana-de-açúcar pertence à família das Poáceas, segundo a nova classificação, e ao

gênero Saccharum, recebendo o nome botânico Saccharum spp. Compõe-se essencialmente de

duas partes: uma subterrânea constituída pelos rizomas e pelas raízes e, outra, aérea, pelo

colmo, folhas e flores (Figura 1a).

Segundo OLIVEIRA (2006), o colmo – o mais importante componente, sob o ponto de

vista industrial – é constituído pelos gomos (também chamados entrenós, internódios ou

meritalos), pelos nós e pelas gemas. O tecido fundamental do colmo é chamado de parênquima

ou tecido suporte (Figura 1b), é neste que se encontram as células com a principal função de armazenar o suco açucarado da planta. A Figura 1c ilustra a cana-de-açúcar e os respectivos colmos.

(a) (b) (c)

Figura 1. (a) constituição morfológica da cana-de-açúcar; (b) localização do parênquima no colmo; (c)

Folha

Colmo

Inflorescência

Gema Parênquima

Casca

(27)

Aproximadamente 200 países cultivam a cana-de-açúcar para produzir 1,324 milhões de

toneladas de açúcar (mais de seis vezes a quantidade de açúcar de beterraba produzido). Desde

2005, o maior produtor do mundo de açúcar é sem dúvida o Brasil. Os usos da

cana-de-açúcar incluem a produção de cana-de-açúcar, melados, rum, cachaça e etanol para combustível. O

bagaço que resta da cana-de-açúcar é esmagado e usado para produzir energia em forma de calor,

usado no moinho e gerando eletricidade para o consumo (BROSSARD; CORTEZ;

BRAUNBECH, 2007).

A composição química da cana depende da interação de vários fatores: variedade, clima,

solo (propriedades físicas e químicas), adubação, irrigação, florescimento, sistema de despalha

(manual ou a fogo), tempo decorrido após a última colheita, condições e tempo de

armazenamento. Uma referência da composição química da cana-de-açúcar está apresentada na

Tabela 1.

Tabela 1. Composição Química da cana-de-açúcar (OLIVEIRA, 2006) FIBRA...10,0-16,0% CALDO...84,0-90,0%

Água...75,0-82,0% Sólidos solúveis...18,0-25,0%

Açúcares...15,5-24,0% Sacarose...4,5-24,0% Glicose...0,2- 1,0% Frutose... 0,0- 0,5%

(28)

1.1.1 Características das Variedades de Cana-de-açúcar

Algumas das considerações importantes ao escolher uma variedade apropriada incluem

produção de cana, qualidade do suco, faixa etária, adaptação às condições de cultivo, tipo de solo,

regime de irrigação, potencial de safra, resistência a pestes e doenças e condições de cultivo

adversas (UDOP, 2008).

Entre as atribuições de variedades desejáveis se encontram: o alto potencial de cultivo, o

alto conteúdo de sacarose, a boa aparência do campo, a grande capacidade de perfilhamento, os

talos médio-grossos a grossos e longos, os internódios longos, o hábito de crescimento ereto, o

não-alojamento de detritos, a falta de florescimento ou o pouco florescimento, a boa capacidade

de safra, a ausência de espinhos na bainha da folha, a ausência de divisões nos talos, o menor

espalhamento da gema e a resistência a problemas locais prevalentes (UDOP, 2008).

Para se ter máxima produtividade, é importante que cada produtor selecione, dentre as

variedades ofertadas pelas instituições de melhoramento, aquelas que atendem melhor aos

requisitos locais. Se o potencial de produtividade não difere muito entre elas, a escolha deve ser

feita priorizando a minimização de custos de manejo e de colheita, ao mesmo tempo em que

atenda aos requisitos relacionados à maturação e ao volume de matéria-prima a ser entregue na

indústria em cada período de safra. É importante procurar diminuir os riscos em relação a

potenciais de doenças, até mesmo aquelas que ainda não ocorreram, sempre que possível

diversificando com variedades de menor parentesco entre si (MELLO et al., 2006). Algumas

características físicas das variedades estudadas neste trabalho estão apresentadas nas

(29)

Tabela 2. Características físico-químicas da variedade de cana-de-açúcar SP 81-3250 (Adaptado de UDOP, 2006)

Características Doenças e Pragas

Brotação - Cana-planta: boa

- Cana-soca - colheita manual queimada: boa

- Cana-soca - colheita mecânica crua: regular

Velocidade de crescimento: regular Porte:... médio

Hábito de crescimento:... ereto Fechamento entrelinhas:... bom Tombamento:... raro

Produção agrícola:... alta Maturação:... média/tardia Teor de açúcar:... alto Teor de fibra:... médio Floração:... eventual Adaptabilidade:... ampla Estabilidade:... boa Resistência à seca:... alta Herbicidas:... tolerante Época de corte:... set. a nov. Densidade do colmo:... alta

Carvão:... intermediária Escaldadura:... resistente Ferrugem:... resistente

Estrias vermelhas:... suscetível Falsa estrias vermelhas:... intermediária

Mosaico:... intermediária Podridão abacaxi:... suscetível Nematóides:... suscetível Complexo broca-podridão:... intermediária

Destaques - Boas respostas a maturadores. - Rendimento de corte manual e densidade de carga altos. - Boa adaptação a espaçamento reduzido.

- Resposta ao melhor ambiente e produção em regiões sem limitações térmicas.

Observações para manejo

- Evitar solos com alta infestação de nematóides ou adequar procedimentos de controle

- Realizar colheita da cana-planta antes de julho com auxílio de maturadores, se necessário.

- Má brotação das socas por pisoteio em solos argilosos úmidos.

- Colheita das socas sempre após agosto quando manejada em ambientes de baixo potencial de produção.

- Ocorrência de podridão abacaxi em plantio tardio (abril a junho), principalmente em solos argilosos.

- Evitar corte em julho/agosto nos solos argilosos e ressecados.

(30)

Tabela 3. Características físico-químicas da variedade de cana-de-açúcar RB 855113 (Adaptado de UDOP, 2006)

Brotação - Cana-planta: muito boa - Cana-soca - colheita manual queimada: boa

- Cana-soca - colheita mecânica crua: boa

Velocidade de crescimento:... lento Porte:.... médio/baixo

Hábito de crescimento:... ereto Fechamento entrelinhas:... bom Tombamento:... raro

Produção agrícola:... alta Maturação:... média Teor de açúcar:... alto Teor de fibra:... baixo Floração:... raro Adaptabilidade:... alta Estabilidade:... boa

Resistência à seca:... média Herbicidas:... sensível Época de corte:... jul/ago Densidade do colmo:... alta

Carvão:... resistente Escaldadura:... resistente Ferrugem:... resistente

Estrias vermelhas:... suscetível Falsa estrias vermelhas:... suscetível Mosaico:... resistente

Podridão abacaxi:... resistente Nematóides:... suscetível Complexo broca-podridão:... resistente

Destaques - Boas respostas a maturadores. - Rendimento de corte manual e densidade de carga altos. - Boa adaptação a espaçamento reduzido.

- Resposta ao melhor ambiente e produção em regiões sem limitações térmicas.

- Utilizar em ambientes de regular a bom potencial de produção de preferência com média textura de solo.

- Seca muito prolongada em solos pesados pode prejudicar a brotação das socas.

- Cuidado na aplicação de herbicida em pós-emergência da cana, embora tenha boa capacidade de recuperação.

(31)

Tabela 4. Características físico-químicas da variedade de cana-de-açúcar RB 855156 (Adaptado de UDOP, 2006)

Brotação - Cana-planta: boa

- Cana-soca - colheita manual queimada: boa

Velocidade de crescimento:... regular Porte:... médio

Hábito de crescimento:... semi-decumb. Fechamento entrelinhas:... bom

Tombamento:... freqüente Produção agrícola:... alta Maturação:... super precoce Teor de açúcar:... alto Teor de fibra:... baixo Floração:... freqüente Adaptabilidade:... alta Estabilidade:... boa Resistência à seca:... alta Herbicidas:... tolerante Época de corte:... abr/mai Densidade do colmo:... alta

Estrias vermelhas:... resistente Falsa estrias vermelhas:... resistente Mosaico:... resistente

Podridão abacaxi:... resistente Nematóides:... intermediária Complexo broca-podridão:... resistente

Destaques

- Sendo super precoce, dá elevado retorno econômico no mês de abril em qualquer tipo de solo.

- Boa resposta a maturadores.

- Boa produtividade agrícola, mesmo em ambientes restritivos de produção, especialmente nas socas.

- Excelente capacidade de brotação em soqueiras.

- Resistência à seca.

Observações para manejo - Colher sempre no início da safra.

- Usar sempre mudas em ótimas condições vegetativas (não maduras).

- Falhas na brotação inicial em solos mal preparados, ou plantios com excessiva cobertura de terra.

(32)

Tabela 5. Características físico-químicas da variedade de cana-de-açúcar RB 867515 (Adaptado de UDOP, 2006)

Brotação - Cana-planta: muito boa - Cana-soca - colheita manual queimada: boa

Velocidade de crescimento:... rápido Porte:... alto

Hábito de crescimento:... ereto Fechamento entrelinhas:... bom Tombamento:... eventual Produção agrícola:... alta Maturação:... média Teor de açúcar:... alto Teor de fibra:... médio Floração:... eventual Adaptabilidade:... ampla Estabilidade:... boa

Resistência à seca:... média Herbicidas:... tolerante É poca de corte:... ago a nov Densidade do colmo:... alta

Estrias vermelhas:... intermediária Mosaico:... resistente

Podridão abacaxi:... resistente Nematóides:... intermediária Complexo broca-podridão:... resistente

Destaques - Crescimento rápido com alta produtividade agrícola.

- Apresenta alto teor de sacarose, com curva de maturação semelhante a da RB72454.

- Ótima brotação das socas, mesmo colhidas sem queima.

- Boa opção para plantio como cana-de-ano.

- Utilizar em ambientes de médio a baixo potencial de produção, para colheita do meio de safra em diante. - Não deve ser plantada em solos argilosos de boa

fertilidade onde pode ocorrer ataque de estrias vermelhas. - Quebra de palmito em épocas de intensa vegetação, principalmente na periferia dos talhões.

(33)

1.2 Biomassa Energética

A biomassa é a matéria de origem orgânica, animal ou vegetal, capaz de ser aproveitada

para gerar eletricidade, com a vantagem de ser uma fonte renovável. É utilizada como

combustível nas termelétricas, sendo que a sua produção pode ocorrer pelo aproveitamento de

lixo residencial e comercial ou resíduo de processos industriais, como serragem, bagaço de cana e

cascas de árvores ou de arroz.

A partir da biomassa podem ser produzidos combustíveis sólidos, líquidos e gasosos.

Assim independentemente da forma e da fonte de energia utilizada, ela tem se mostrado, ao longo

de décadas, um dos mais determinantes fatores de desenvolvimento econômico e social dos

países industrializados e, por extensão, se tornado igualmente determinante em muitos aspectos

da vida econômica e social no contexto atual. O Brasil ostenta uma elevada taxa de incidência de

energia solar, condições climáticas favoráveis e grandes áreas apropriadas para a agricultura e

silvicultura, apresenta todas as condições necessárias ao processo natural de bioconversão para

produção de biomassa, quer seja para fins energéticos ou para produção de alimentos (COUTO et

al., 2004).

O Brasil se destaca entre as economias industrializadas pela elevada participação das

fontes renováveis em sua matriz energética. Isso se explica por alguns privilégios da natureza,

como uma bacia hidrográfica com vários rios de planalto, fundamental à produção de eletricidade

(14%), e o fato de ser o maior país tropical do mundo, diferencial positivo para a produção de

energia de biomassa (27%). A energia provém de quatro fontes de biomassa: as derivadas de

cultivos ricos em carboidratos ou amiláceos, que geram o etanol; as derivadas de lipídios vegetais

e animais, que geram o biodiesel; a madeira, que pode gerar o metanol, briquetes ou carvão

(34)

vantagens competitivas para ser líder mundial no biomercado e no mercado internacional de

energia renovável (EMBRAPA, 2006).

A maior experiência de produção de energia com biomassa é a queima do bagaço de cana

nas caldeiras de usinas, cuja eficiência poderia aumentar em 35% com a gaseificação ou redução

de sua umidade, que chega a 50%. A gaseificação por calor indireto vem sendo estudada na

Universidade Estadual de Pernambuco. Associada aos catalisadores como alumina e zinco, a

gaseificação aumenta a produção de hidrogênio (H2) e de monóxido de carbono (CO) e diminui a

produção de dióxido de carbono (CO2) (LIANA; CAMPANILI, 2000).

De acordo com PELLEGRINI (2002), entre as diversas formas de aproveitamento do

bagaço de cana, destaca-se o seu valor como combustível em substituição aos derivados de

petróleo, especialmente óleo combustível e lenha. O bagaço proporciona às empresas

sucroalcooleiras o privilégio da suficiência de energia térmica e da possibilidade de

auto-suficiência em energia elétrica, condições essas inexistentes na maioria das atividades industriais.

O bagaço de cana, dentre as biomassas, é aquele que reúne os melhores atributos econômicos

para ser industrializado e competir comercialmente com o óleo combustível em virtude das

seguintes vantagens:

ª Ter uma lavoura organizada, cujos custos são debitados no produto nobre: açúcar e/ou

álcool;

ª Ter todo o sistema de transporte campo-indústria organizado e ocorrendo por conta do

mesmo produto nobre;

ª Ser produzido em grandes quantidades, concentradas em um ponto específico.

(35)

suficiência em energia elétrica para a geração de alguns Giga Watts - GW excedentes. De acordo

com VIDAL; SANTOS; SANTOS (2006), a utilização destas tecnologias, com os custos atuais, é

economicamente viável em comparação com custos comerciais da energia (o investimento

estimado na indústria de açúcar é de R$ 725-1100/kW adicional, excedente, para sistemas em

baixa pressão e alta pressão, 2,2-8,0 Mega Pascal - Mpa, respectivamente). Há um grande

aumento na implantação destes sistemas, nos últimos 12 meses, sendo que investimentos até R$

1350/kW são viáveis, no caso de usinas de açúcar. Nas usinas de cana-de-açúcar, sistemas de

queima direta poderão gerar adicionais de até 2,4-2,7 GW (base anual) se usarem cerca de 30%

da palha em adição ao bagaço (ou até 3,4 GW, com 40% de palha).

Nas próximas décadas, a biomassa deverá ser base da energia renovável e insumo para a

indústria química. Especialistas acreditam que ela movimentará o maior volume de recursos das

transações agrícolas internacionais, a partir de 2050. A biomassa – composta por cerca de 220

bilhões de toneladas de matéria seca anual – parece ser a maior e mais sustentável fonte de

energia renovável pronta para uso (HALL; RAO, 1999). A biomassa apresenta em sua

composição estrutural, três componentes principais (celulose, hemicelulose e lignina), os quais

estão representados na Figura 2.

Figura 2. Composição estrutural da biomassa (SELVAM et al., 2006). Celulose

Hemicelulose

(36)

1.3 Ligninas

O termo lignina foi introduzido em 1838 por Anselme Payen para designar o resíduo

solúvel obtido no tratamento da madeira por ácido nítrico concentrado, ficando por um longo

tempo a constituição química deste resíduo na obscuridade. Peter Klason em 1917 propôs que

a lignina poderia ser classificada como uma substância macromolecular constituída de

unidades do álcool coniferílico, mantidas juntas através de ligações do tipo éter. Em 1940,

estudos baseados em reações clássicas da química orgânica levaram a concluir que, de uma

forma geral, a lignina era constituída de unidades fenilpropanóides, Figura 3, unidas por ligações éter e carbono. Em 1954, Lange propõe que as principais unidades aromáticas

presentes na estrutura da lignina eram a p-hidroxifenila, guaiacila e seringila, Figura 4 (CAMARGO, 2003).

(37)

As ligninas são substâncias de estruturas complexas, Figura 5, macromoléculas tridimensionais de origem fenilpropanóidica (C9 ou C6C3), constituídas de unidades básicas de

p-hidroxifenilpropano, guaiacilpropano e siringilpropano. Elas têm grande importância no

transporte de água, nutrientes e metabólitos (SALIBA et al., 2001) e atuam como uma substância

cimentante dos polissacarídeos da parede celular, tanto química como fisicamente, dando maior

resistência mecânica aos vegetais bem como proteção contra agentes patógenos externos

(LACERDA, 2001).

Figura 5. Seção do polímero lignina (LACERDA, 2001).

O principal tipo de ligação existente na lignina é do aril-aril do tipo éter. Contudo,

(38)

polissacarídeos estabelecidos na parede celular das plantas (XIAO; SUN; SUN, 2001).

Enquadram-se entre as substâncias naturais mais abundantes da face da Terra, ocupando cerca de

30% dos carbonos da biosfera (ROHELLA et al., 1996).

Dependendo da relação entre as quantidades de p-hidroxifenilpropano, guaiacilpropano e

siringilpropano, a lignina pode ser do tipo G (lignina guaiacílica), G-S (lignina

guaiacil-siringílica), H-G-S (lignina guaiacil-siringílica) ou H-G (lignina

4-hidroxifenil-guaiacílica). Estas quantidades relativas podem ser determinadas a partir de estudos de

degradação da lignina (PILÓ-VELOSO; NASCIMENTO; MORAIS, 1993).

Entre os diversos métodos laboratoriais de mensuração de lignina, está o método

espectrofotométrico, que se baseia no fato de a lignina ser solúvel em solução de brometo de

acetila a 25% em ácido acético glacial, sendo, em seguida, lida a absorbância da mesma no

comprimento de onda a 280nm (MORRISON, 1972). Entretanto, existe um entrave, a ausência

de um padrão de referência, pois todo método espectrofotométrico pressupõe a existência de um

padrão (FENGEL; WEGENER, 1989).

FUKUSHIMA e DEHORITY (2000) propuseram um padrão, a lignina extraída com

brometo de acetila, quantificando o teor de lignina presente em quatro amostras de forrageiras.

Para a análise, utilizaram o método da “lignina solúvel em brometo de acetila - LSBA”, e

compararam os dados obtidos com outros dois métodos de determinação da lignina (lignina em

detergente ácido - LDA e lignina permanganato de potássio - LPer). Através da revisão da

literatura, encontrou-se um método de extração de lignina com dioxano, também pesquisado por

FUKUSHIMA e HATFIELD (2003), o qual demonstrou ser mais eficiente que o método de

brometo de acetila (FUKUSHIMA; DEHORITY, 2000). As espectroscopias por RMN H1

(39)

Quando obtida pela moagem da madeira e extração com a mistura dioxano/água 9:1 é

chamada de protolignina, ou seja, lignina não modificada ao longo do processo de extração, que

apresentaria a mesma estrutura encontrada in situ. Há, ainda, trabalhos utilizando acetona ou

mistura dioxano/solução aquosa de HCl, para extração da lignina e que não causam mudanças na

estrutura da molécula (FUKUSHIMA; HATFIELD, 2003; KHAN; ASHRAF; MALHOTRA,

2004; ABREU et al., 2006).

Dentre as diversas aplicações da lignina, destacam-se a obtenção de óleos com

características semelhantes ao petróleo, a produção de fenol, ácido acético e vanilina como

produtos principais, muito interessantes para a indústria química. As ligninas podem ainda ser

utilizadas com vantagem na produção de resinas fenol-formaldeído e adequadas para gaseificação

com oxigênio, fornecendo gás de síntese, que é essencial na produção de metanol

(SCHUCHARDT; RIBEIRO; GONÇALVES, 2001). Alguns dos principais componentes

extraídos das ligninas são apresentados na Figura 6.

Figura 6. Componentes extraídos das ligninas (Adaptado de SCHUCHARDT; RIBEIRO; GONÇALVES,

Ligninas

Gás de Síntese Óleos

Fenol e Ácido Acético

Resinas Fenol-Formaldeído

Metanol

Fenol, Vanilina e Lignina Oxidada Processos

Oxidativos Processos Pirolíticos

Gaseificação com Oxigênio Hidrogenólise

(40)

1.4 Celulose e Hemicelulose

Anselm Payen, em 1838 foi quem reconheceu a existência da celulose como material

constituinte de células de plantas. A celulose ocorre na forma de fibras puras de algodão, em

combinação com outros materiais, como a lignina e a hemicelulose, em madeiras, folhas de

plantas, bagaço de cana, etc (KLEMM, 2005).

A celulose é um polímero linear formado por unidades de glicose com grau de

polimerização entre 7 000 e 10 000. Possui fórmula empírica (C6H10O5)n, com um valor mínimo

de n = 200, e possui uma grande cadeia polimérica, com repetições de unidades de -glicose. Na

cadeia da celulose, as unidades glicoses são formadas por membros com seis ligações, chamadas

de piranoses. Elas estão ligadas por átomos de oxigênio entre o C-1 da piranose e o C-4 do

próximo anel (CELLULOSE, 2007).

As hemiceluloses são conjuntos de polímeros ramificados e amorfos baseados em

hexoses, pentoses e ácido glicurônico. Possuem baixos graus de polimerização (50 - 300) e são

facilmente hidrolizáveis (RESENDE, 2003). As estruturas da celulose e hemicelulose são

apresentadas na Figura 7.

(41)

A celulose é o maior biopolímero presente na natureza e possui grande importância

econômica mundial, sendo o principal constituinte do algodão (acima de 94%) e da madeira

(acima de 50%). Juntos, tais produtos formam as maiores fontes de celulose para distintas

aplicações, tais como: papéis, indústrias têxteis, materiais de construção, bem como, derivados de

celulose: rayon e acetato de celulose (BROWN, 2007). A disposição de celulose, lignina e

hemicelulose na parede celular secundária lignificada, evidenciando o entrelaçamento existente

entre estas fibras em células vegetais estão apresentadas na Figura 8.

Figura 8. Representação esquemática da parede celular secundária lignificada. Adaptado de BOUDET et al., 2003.

1.5 Co-geração de Energia

A co-geração de energia a partir do bagaço de cana-de-açúcar tem ganhado grande

importância econômica. As tecnologias disponíveis produzem baixo nível de emissão, resultando

ainda na redução dos impactos ambientais. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica -

(42)

De acordo com VIDAL (2006), do ponto de vista da importância do setor sucroalcooleiro

para a preservação do meio ambiente, há consenso no mercado internacional de que o Brasil

continuará liderando o ranking dos países produtores de energia alternativa e limpa, na medida

em que existe um potencial de dimensão continental de áreas inexploradas.

Apesar dos inúmeros inconvenientes causados durante o período de racionalização de

energia, que se estendeu até Março de 2002, o momento se tornou propício à retomada da

introdução de novas fontes de energia primária na Matriz Energética Nacional (COELHO, 1999),

como forma de complementação energética.

Dentro deste contexto, foi desenvolvida a base para o Programa Prioritário de

Termelétricas, instituído em 2000 pelo Ministério de Minas e Energia - MME. Este Programa

contemplou a geração termelétrica a gás natural importado da Bolívia em sistemas convencionais

e de co-geração, abrindo espaço para a co-geração a partir do bagaço de cana. Dessa forma, a

utilização da biomassa para geração de energia pode vir a se constituir num apoio à oferta de

energia, não apenas nos momentos de crise energética, mas como um incremento à oferta de

energia dentro do sistema interligado (PELLEGRINE, 2002).

O governo brasileiro tem defendido, em negociações internacionais, a ampliação de novas

fontes renováveis nas matrizes energéticas dos países, de modo que os futuros impactos no meio

ambiente sejam minorados. Um dos primeiros passos da ação governamental será a ação

integrada da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária - Embrapa, do Instituto Nacional de

Meteorologia - INMET e de outros parceiros na elaboração do plano estratégico de expansão da

lavoura canavieira e das lavouras de oleaginosas, contemplando, além dos aspectos agronômicos

e agroclimáticos, também o sócio ambiental e de logística. Uma das diretrizes do plano será

(43)

cultivada pela própria empresa, o que exclui da cadeia produtiva os pequenos e médios

fornecedores (EMBRAPA, 2006).

De acordo com autores, Embrapa (2006), inicialmente o bagaço – 25% a 30% do peso da

cana processada – era utilizado nas usinas como substituto da lenha para geração de calor. Mais

recentemente vem sendo utilizado para gerar vapor, com flexibilidade para ser transformado em

outras formas de energia, como calor, eletricidade ou tração mecânica. O aumento do custo da

energia elétrica e do petróleo tornou atraente a utilização do bagaço para a co-geração.

Como a aplicação do processo está ainda no início, existe grande espaço de melhoria

tecnológica para maximizar sua eficiência. As amplas possibilidades da co-geração foram

percebidas pelos formuladores da política energética brasileira. A ANEEL (Resolução Normativa

n° 109, de 26.10.2004) instituiu a Convenção de Comercialização de Energia Elétrica, que prevê

o autoprodutor, titular de concessão, permissão ou autorização para produzir energia elétrica para

seu uso exclusivo; o consumidor livre, aquele que tenha exercido a opção de compra de energia

elétrica; e o produtor independente, pessoa jurídica ou consórcio de empresas titulares de

concessão, permissão ou autorização para produzir energia elétrica destinada ao comércio de toda

ou de parte da energia produzida por sua conta e risco (EMBRAPA, 2006).

O potencial autorizado pela ANEEL para empreendimentos de co-geração é de 1.376,5

Mega Watts - MW, considerando-se apenas centrais geradoras que utilizam bagaço de

cana-de-açúcar (1.198,2 MW), resíduos de madeira (41,2 MW), biogás ou gás de aterro (20 MW) e licor

negro (117,1 MW). De acordo com a Embrapa (2006), no ano de 2006, três novas centrais

geradoras a partir do bagaço de cana entraram em operação comercial no País, inserindo 60 MW

à matriz de energia elétrica nacional.

(44)

cana-de-Nacional - BEN, a participação da biomassa na matriz energética brasileira é de 27%; sendo, a

partir do bagaço de cana-de-açúcar, de 12,6%; da utilização de lenha de carvão vegetal, de

11,9%; e de outras fontes, de 2,5%. Dos quase 6 milhões de hectares cultivados com

cana-de-açúcar no País, cerca de 85% estão na Região Centro-Sul, principalmente em São Paulo (60%),

sendo os 15% restantes cultivados nas Regiões Norte e Nordeste (BRASIL, 2007).

SOUZA (2006) ressalta que a energia gerada nas usinas sucroalcooleiras tem sido capaz

de suprir não somente o consumo de eletricidade no processo industrial, como também seu

excedente tem sido comercializado em distribuidoras locais de energia elétrica. O autor destaca

ainda que a entrada dessa energia co-gerada no sistema elétrico coincide com o aumento do

índice pluviométrico (estação de seca), quando os reservatórios das usinas hidrelétricas

apresentam baixos níveis de armazenamento de água.

De acordo com COUTO, et al. (2004), as usinas utilizam na geração de suas próprias

necessidades de vapor em torno de 80-85% do bagaço disponível. Todavia, pelo melhoramento

do balanço energético no processamento da cana, pode-se chegar a valores porcentuais bem

maiores, permitindo um excedente de 30-35% do bagaço produzido, que poderia ser

comercializado.

Afora o bagaço, restam ainda a palha e os ponteiros, que representam outros 55% da

energia acumulada no canavial. Esse percentual, a maior parte deixada no campo, pode

representar até 30% da biomassa total da cana. Seu poder calorífico superior é da ordem de 15

Giga Joule/tonelada - GJ/t, e o inferior, cerca de 13 GJ/t (EMBRAPA, 2006). Todo esse

potencial, que pode mais do que dobrar a quantidade de energia que se obtém da cana, é muito

pouco aproveitado, na maioria dos casos, é queimado no campo.

(45)

usinas a desenvolver plantas de co-geração mais eficientes. Porém, o autor destaca que nos

últimos 20 anos este cenário vem se modificando e as usinas estão evoluindo tecnologicamente

os sistemas de geração de energia. Caldeiras com maior desempenho e a capacidade de

turbogeradores com potência nominal acima de 20 MW e com eficiências acima de 75% estão

sendo comercializados.

A demanda projetada de energia no mundo aumentará 1,7% ao ano, de 2000 a 2030,

quando alcançará 15,3 bilhões de toneladas equivalentes de petróleo - tep por ano, de acordo com

o cenáriobase traçado pelo Instituto Internacional de Economia - IIE. Os combustíveis fósseis

responderão por 90% do aumento projetado na demanda mundial, até 2030, se não ocorrerem

alterações na matriz energética mundial (MUSSA, 2003). A produção de energia elétrica pela

co-geração resultante do aproveitamento do bagaço, das palhas e dos ponteiros da cana é apenas uma

das novas alternativas de desenvolvimento da indústria sucroalcooleira.

Já nos primeiros meses de 2008, foram feitos levantamentos preliminares que permitiram

compor uma idéia concisa da Oferta Interna de Energia – OIE e de outras estruturas energéticas.

Tais levantamentos indicam que a demanda total de energia no Brasil em 2007, atingiu 238,3

milhões de tep, montante 5,4% superior à demanda verificada em 2006, e equivalente a cerca de

2% da energia mundial, Figura 9. Em relação a 2006, a demanda por energia renovável no Brasil cresceu em todas as fontes, ficando a lenha com o menor desempenho. Pela primeira vez a

participação da energia “hidráulica e eletricidade” foram suplantadas pelos “derivados da

cana-de-açúcar” na Matriz Energética Brasileira - MEB. De fato, os derivados da cana-de-açúcar, com

participação de 15,7% na MEB e de 34,3% nas fontes renováveis, suplantaram, respectivamente,

(46)

Figura 9. Oferta interna de energia correspondente ao ano de 2007 (Adaptado de BRASIL, 2008).

O aumento na demanda total por energia se deu com incremento no uso das fontes

renováveis (hidráulica, biomassa e outras). De fato, houve crescimento de 7,2% na energia

proveniente dessas fontes, enquanto que as não-renováveis (petróleo e derivados, gás natural,

carvão mineral e urânio) cresceram 3,9%. Com isso, a energia renovável passou a representar

45,8% da MEB em 2007 (BRASIL, 2008).

Alternativamente à co-geração, o bagaço ainda pode ter uso fora das usinas e destilarias,

como insumo volumoso de ração animal, na fabricação de papel, na fabricação de elementos

estruturais e até na produção de álcool combustível adicional, por hidrólise. Na verdade,

tecnologias de produção de etanol a partir da hidrólise do bagaço estão em desenvolvimento e

poderão atingir estágio comercial em 10 a 15 anos (EMBRAPA, 2006). Portanto, passa a ser

importante o custo de oportunidade do aproveitamento do bagaço, em virtude das múltiplas

alternativas disponíveis.

HIDRÁULICA E ELETRICIDADE

14,9%

PETRÓLEO e DERIVADOS

37,4%

URÂNIO 1,4%

CARVÃO MINERAL

6,0%

GÁS NATURAL 9,3% BIOMASSA

30,9%

Biomassa: lenha 12% produtos da cana 15,7%

outras 3,2%

(47)

Assim, um dos nossos maiores problemas é quantificar e qualificar a produção de energia

elétrica a partir da biomassa, no caso, o bagaço da cana-de-açúcar, visando um uso mais racional

de suas partes e do todo, levando em consideração o seu valor de mercado e seu custo econômico,

(48)

2. OBJETIVOS

Este estudo visa caracterizar e avaliar o comportamento térmico do bagaço da

cana-de-açúcar empregando diferentes variedades de cana (SP 81-3250, RB 855113, RB 815156 e RB

867515), buscando proceder a uma triagem, a fim de obter evidência objetiva da potencialidade

de cada variedade para a geração de energia termoelétrica e ou para a aplicação na produção de

álcool. Serão conduzidas para tais finalidades a extração e quantificação de biomassa e material

lignocelulósico, assim como a validação dos métodos, dentro dos conceitos da Metrologia em

(49)

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Variedades de cana-de-açúcar

Para a escolha das variedades de cana-de-açúcar foram avaliados fatores como variedade

de solo, abundância, características físico-químicas e quantidade de açúcar total recuperável, os

quais influenciam na qualidade da cana e consequentemente no bagaço que será aplicado para a

geração de energia. As variedades de cana-de-açúcar correspondentes à RB se referem à época da

República do Brasil e a variedade SP, ao estado de São Paulo, sendo que os dois primeiros

números presentes na denominação das variedades correspondem ao primeiro ano do plantio. As

variedades utilizadas neste estudo, assim como suas características, estão apresentadas na

Tabela 6.

Tabela 6. Variedades e características das amostras do bagaço de cana-de-açúcar coletadas na usina (Adaptado de PMGCA, 2005)

Amostra Variedade Característica 1 SP 81-3250 Rica e Produtiva 2 RB 855113 Porte e Fechamento 3 RB 855156 Precoce 4 RB 867515 Rústica

3.2 Amostragem

As amostras do bagaço foram coletadas na Usina Santa Cruz, localizada na região de

Araraquara, durante todo o período de safra (maio a novembro/2007). Foram utilizadas amostras

originais, coletadas diretamente da produção. As amostras foram coletadas por um canhão de

(50)

Figura 10. Sonda horizontal utilizada para amostragem de cana-de-açúcar e fotografias do canhão amostrador tiradas na Usina Santa Cruz.

Após a coleta, as amostras de cana foram desintegradas e homogeneizadas em betoneiras

adaptadas com raspador, de maneira a impedir a retenção da amostra no fundo do tambor, Figura 11, sendo condicionadas em sacos plásticos devidamente identificados para posteriores análises.

(51)

3.3 Determinação Termogravimétrica de Umidade e Cinzas Empregando Analisador

Térmico PrepASH® 129

As determinações de umidade e cinzas empregando o sistema analisador térmico

“prepASH®” 129 na condição isotérmica, foram realizadas apenas para o bagaço úmido e com

sacarose.

Este equipamento oferece a facilidade para a leitura da entrada dos dados das pesagens,

bem como as massas e posicionamento, possuindo um processamento totalmente automático de

29 amostras e uma de referência. Dessa forma evitam-se erros embutidos na manipulação das

amostras tais como colocar a amostra (registrando tudo manualmente), calcinar o cadinho e

depois colocar em um dessecador para esfriar e pesar novamente. Também é possível se trabalhar

com atmosfera controlada (neste caso somente ar – para acelerar a queima com o O2).

As amostras das diferentes variedades, Tabela 6, devidamente preparadas, num total de

20 amostras, de massa 5 gramas foram adicionadas aos cadinhos, previamente tarados, para a

obtenção das curvas TG na condição de isoterma para as temperaturas de 105 e 900 ºC. Foram

empregadas para este ensaio amostras de bagaço de cana úmido e com sacarose.

Como este equipamento permite a determinação simultânea de até 29 amostras, o que

permitiu em apenas um ensaio proceder ao ensaio de repetitividade (cinco repetições, n = 5) para

cada variedade de cana. O programa de controle de temperatura permitiu a execução do seguinte

programa de aquecimento:

1 - primeira etapa: etapa de aquecimento das amostras até a temperatura de 105 ºC;

2 - segunda etapa, etapa isotérmica, manutenção da temperatura constante em 105 ºC por

(52)

4 - quarta etapa, etapa isotérmica, manutenção da temperatura constante em 900 ºC por

um período de 90 min, até massa constante.

O equipamento utilizado para a realização das análises de umidade e cinzas está

apresentado na Figura 12.

Figura 12. Equipamento prepASH utilizado na determinação de umidade e cinzas para as amostras de bagaço de cana com sacarose.

3.4 Determinação de Umidade e Cinzas empregando Mufla Convencional

A determinação de umidade e cinzas foi realizada para as variedades de cana-de-açúcar

com e sem sacarose. Para a determinação de umidade, foram utilizados cinco cadinhos de

porcelana (cinco repetições, n = 5) para cada variedade, devidamente calcinados em mufla

convencional a 800 ºC durante 1 hora.

Aproximadamente 3-5 gramas das variedades foram pesadas e colocadas em mufla a 105

ºC, com razão de aquecimento de 5 ºC min-1, com tempo de permanência de 30 minutos, durante

1 hora. Após resfriamento, os cadinhos foram pesados novamente e o procedimento foi repetido

até massa constante (Norma ASTM - E 1756, 1995b).

(53)

pesados e levados novamente a mufla até que a massa final permanecesse constante (Norma

ASTM - E 1755, 1995a).

3.5 Análise de Variância (ANOVA)

A análise de variância é um teste estatístico amplamente difundido entre os analistas, e

visa fundamentalmente verificar se existe uma diferença significativa entre as médias e se os

fatores exercem influência em alguma variável dependente. Os fatores propostos podem ser de

origem qualitativa ou quantitativa, mas a variável dependente necessariamente deverá ser

contínua (FERREIRA NETO, 2003).

A principal aplicação da ANOVA é a comparação de médias provenientes de grupos

diferentes. Existem dois métodos para calcular-se a variância: dentro de grupos (MQG) e a

variância das médias (MQR). Em uma ANOVA, calculam-se esses dois componentes de

variância. Se a variância calculada usando a média (MQR) for maior do que a calculada (MQG)

usando os dados pertencentes a cada grupo individual, isso pode indicar que existe uma diferença

significativa entre os grupos (FERREIRA NETO, 2003). Os componentes de uma análise de

variância estão apresentados na Tabela 7:

Tabela 7. Tabela de ANOVA

Fonte de Variação SQ gl MQ Teste F

Entre Grupos SQG K - 1 MQG MQG/MQR Dentro dos Grupos SQR N - K MQR

Total SQT N -1

ª SQT = SQG + SQR (mede a variação geral de todas as observações);

(54)

ª SQG soma dos quadrados dos grupos (tratamentos), associada exclusivamente a um

efeito dos grupos e SQR soma dos quadrados dos resíduos, devidos exclusivamente ao erro

aleatório, medida dentro dos grupos;

ª MQG = Média quadrada dos grupos;

ª MQR = Média quadrada dos resíduos (entre os grupos);

ª SQG e MQG: medem a variação total entre as médias.

ª_{SQR e MQR: medem a variação das observações de cada grupo.}

O valor de f é calculado utilizando-se a seguinte relação:

(

)

MQG

f= MQR

N-1=(K-1)+(N-K) SQT=SQG+SQR MQG=SQG K-1

A hipótese nula sempre será rejeitada quando f calculado for maior que o valor tabelado.

Da mesma forma, se MQG for maior que MQR, rejeita-se a hipótese nula. Se o teste f indicar

diferenças significativas entre as médias, haverá interesse em identificar quais as médias que

diferem entre si. A ANOVA foi utilizada para verificar se existem diferenças estatísticas,

considerando um intervalo de confiança de 95%, entre os teores de umidade e cinzas das

variedades de cana-de-açúcar.

3.6 Determinação de Ligninas

(55)

solúveis em água e a segunda extração com clorofórmio/metanol 2:1 para remoção de lipídios

totais presentes nas amostras.

Para a extração aquosa adicionou-se 5 gramas do bagaço seco em béquer de 1000 mL

com 200 mL de água destilada e manteve-se sob aquecimento e agitação por 2 horas. A mistura

foi filtrada e submetida novamente ao aquecimento e agitação com 200 mL de água destilada

durante 2 horas. Após a última filtração, a amostra foi seca em estufa a 60 ºC por 4 horas e então

aproveitado para a segunda extração, para remoção dos lipídios totais.

O bagaço seco foi colocado em frasco de 500 mL Schott, juntamente com 140 mL de

clorofórmio e 70 mL de metanol para a remoção dos lipídios. A solução foi aquecida por 4 horas

a 60 ºC, filtrada e colocada em estufa por 4 horas a 105 ºC. Estas extrações preliminares foram

feitas para todas as amostras de bagaço de cana-de-açúcar.

3.6.2 Extração de Lignina e Celulose

O resíduo sólido, isento de açúcar e lipídios, foi colocado em balão de fundo redondo

(250 mL) com 20 mL de HCl (2 mol L-1) e 180 mL de dioxano. A mistura foi mantida em refluxo

por 40 minutos e filtrada em papel de filtro qualitativo. O sólido obtido foi seco em estufa a 105

ºC durante 4 horas e separado para realizar as análises de celulose e hemicelulose. Ao filtrado,

adicionou-se em torno de 5 gramas de bicarbonato de sódio e filtrou-se em papel de filtro

Whatman 41.

A solução foi submetida a um rota-evaporador até que o volume fosse reduzido a

aproximadamente 10 mL. Ao extrato, adicionou-se 400 mL de água destilada e aproximadamente

(56)

3.7 Análise Termogravimétrica (TG/DTG) / Análise Térmica Diferencial (DTA) e

Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)

As análises termogravimétricas foram realizadas primeiramente em fibras de bagaço com

e sem sacarose. Para a obtenção de bagaço sem sacarose, as amostras desfibriladas foram

colocadas em uma prensa hidráulica, Figura 13, e submetidas à pressão de 250 kg/cm2 durante 1

minuto (CONSECANA, 2006), lavadas e prensadas novamente 3 vezes com cerca de 1000 mL

de água para a remoção da sacarose.

Figura 13. Fotografia da prensa hidráulica existente na Associação dos Fornecedores de Cana de Araraquara, utilizada para a prensagem das amostras de bagaço.

Para a realização das análises, as fibras dos bagaços de cana, com e sem sacarose, foram

cortadas e manuseadas com material devidamente limpo, isento de gordura, para não interferir

nos resultados analíticos. As amostras foram secas a 105 ºC (Norma ASTM - E 1756, 1995b),

trituradas com pistilo e peneiradas até obter-se a menor granulometria possível.

Na obtenção das curvas TG/DTA simultânea foram empregadas massas, dos bagaços